试论航空发动机叶片检测技术

◎王琦

机械手无损检测技术是一种新型的检测技术方法，与传统应用的检测技术相比不会对设备结构造成影响，能够根据设备的具体情况提前设置好程序，机械手会按照一定的轨迹进行检查，这种检测技术不但能够减轻工作人员的压力而且检测精度比较高。将其应用到航空发动机叶片检测中也具有良好的应用效果，能够最大限度的满足叶片的检测要求，而且检测工作的自动化水平也得到了进一步提升。

一、叶片超声无损检测技术

1.航空发动机叶片结构特点。

本文主要以为某型号航空设备的钛合金叶片作为研究对象，该叶片由叶身和榫头组成，叶身包括叶盆、叶背、进排气边缘等。叶片是曲面结构而且不同部位的厚度也存在一定的差异，若使用常规的检测方法无法及时发现叶片不同部位存在的缺陷，不能进行实时跟踪检测，这就很容易发生漏检的情况，整体的检测精度得不到保障。

二、超声检测方案设计

利用超声检测法对叶片具体的区域进行检测，一般会采用出垂直入射法和斜入射法，根据不同部位的检测需要来进行选择。叶身部分一般采用垂直入射检测法能够将该部位的缺陷直观具体的展示出来，让检测人员能够了解缺陷和损坏的具体部位，在实际进行检查的过程中，超声波射线的检测方向要与缺陷部位的法向在同一方向。在对叶片边缘和根部进行检测时，通常采用斜入射检测方法，因为这两个部位容易受到外界因素的干扰，要以被检测点为中心选择一个固定的偏转角对其进行检测，根据回波信号来确定缺陷的情况与位置。在进行的厚度检验时，要了解超声波的传播速度，根据脉冲回波信号的时间来计算叶片的具体厚度，这种检测方法的精准度比较高。

三、机械手超声自动化无损检测技术

1.总体方案设计。

机械手超声无损检测技术在应用过程中需要根据叶片的检测要求制定针对性的检测方案。为了满足叶片的无损检测要求并提高检测精度，则可以选择机械夹持叶片和超声换能器固定的方法，按照一定的顺序和流程进行叶片的全方位检测。在确定叶片检测的具体位置后机械手会规划合理的检测路线，超声换能器则进行超声波无损检测。机械手和超声换能器同步运行实现对检测部位的各项信息数据进行同步采集。

机械手无损检测技术系统主要由来两部分构成，一部分是由机械手、运动控制器、超声波收发装置及各项检测设备等构成的硬件设备部分，另一部分是由超声控制软件、数据采集软件、结果显示软件等构成的软件部分，这两部分充分融合形成了完整的自动化检测系统，是进行各类构件无损检的重要组成。

超声换能器是检测系统硬件部分的总要构成之一，主要进行超声波的发射与接收工作，超声波的频率速度等可以结合具体需要进行针对性调整，以此保证检测结果的有效性。夹具设备主要是进行叶片的固定便于后续检测工作的顺利开展，夹具主要应用快换夹具类型，能够根据需要都对构件进行快速更换，而且机械手的具体位置也需要根据夹具的各项数据参数进行确定，这是保证后续机械手无损检测的基础。

2.机械手超声无损检测技术试验研究。

（1）试验装备。

本课题采用STAUBLITX90L 六自由度机械手搭建系统，试验仪器还包括SIUI 超声探伤仪、水浸聚焦超声换能器等。该系统主要技术指标：超声采集卡采集频率为250MHz；机械手运动位置触发间隔为0.1mm，时间触发间隔为0.0001s；工作通道为2；超声换能器采用20MHz 水浸聚焦探头。机械手扫查运动空间Y 轴行程≤600mm，X 轴行程≤500mm，Z 轴行程≤400mm；机械手扫查空间内重复定位精度为±0.10mm。

（2）试验方案。

为验证机械手超声无损检测系统检测性能和技术指标，采用五轴数控加工中心和电火花加工在叶身、进气边分别制作标准平底孔缺陷、裂纹缺陷。为验证系统检测叶片厚度性能，通过提取叶片CAD 模型表面设计仿叶片曲面厚度阶梯试块，厚度设计范围为2-12mm，并采用五轴数控加工中心加工制作。厚度试块厚度标准值经过第三方检测机构测量。

（3）试验结果。

从超声C 扫描成像中可以看出缺陷分布与设计叶片试块上缺陷的位置一致。并通过图像分析直径为0.15mm 的平底缺陷可以看出缺陷信号强度高于噪声信号，因此缺陷检测结果是有效的。检测结果表明系统能够检测出直径0.15mm 的标准平底孔缺陷和0.15mm 宽的裂纹缺陷，满足检测要求；同时检测叶片叶身面积的80%仅用14min，相对于人工检测效率更高且缺陷检测可靠性更高。

对于超声检测仿叶片曲面厚度试块方法是采用CAD 模型在每个阶梯厚度上随机选择2 个点，并通过三坐标测量机对所选点厚度值进行标定测量；然后采用标准厚度值标定叶片声速并进行其他点厚度检测，从检测结果可以了解到，检测厚度误差小于±0.03mm，满足叶片厚度检测要求。

本文根据叶片的特点选择较为有效无损检测技术，实现了硬件设备与软件技术的充分融合，能够将工装夹具、机械手和超声换能器充分整合，实现各系统的充分协调对叶片各部进行无损检测，检测质量和精度都可以得到保障。同时采用CAD 建模的方法根据检测的数据信息和机械手的运动轨迹来确定超声波的入射方式和具体位置，及时发现其内部存在的故障问题，并利用斜射入法进行叶片的边缘部位和根部的检测工作。

结语：由于航空发动机叶片结构、厚度等方面的特殊性，常规的检测方法无法对叶片缺陷和损伤问题进行全面检测。随着无损检测技术的快速发展，许多新型的检测技术被研发出来，能够实现对叶片的自动化检测。机械手无损检测技术通过超声检测的方法提高了技术的检测精度，对于厚度和造型复杂的曲面叶片也能够实现细致检测。要掌握这项检测技术的应用要点和注意事项，将其合理应用到航空发动机叶片检测工作中，以此保证叶片的应用质量。